Nabídka udržitelných zdrojů elektřiny je jednou z nejdůležitějších výzev tohoto století. Z této motivace vycházejí výzkumné oblasti materiálů pro získávání energie, včetně termoelektrických1, fotovoltaických2 a termofotovoltaických3. Přestože postrádáme materiály a zařízení schopná sklízet energii v rozsahu Joule, pyroelektrické materiály, které dokážou přeměnit elektrickou energii na periodické změny teploty, jsou považovány za senzory4 a energetické harvestory5,6,7. Zde jsme vyvinuli makroskopický sběrač tepelné energie ve formě vícevrstvého kondenzátoru vyrobeného ze 42 gramů tantalátu olovnatého skandium, který produkuje 11,2 J elektrické energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul může generovat hustotu elektrické energie až 4,43 J cm-3 na cyklus. Ukazujeme také, že dva takové moduly o hmotnosti 0,3 g stačí k nepřetržitému napájení autonomních energetických harvestorů s vestavěnými mikrokontroléry a teplotními senzory. Nakonec ukážeme, že pro teplotní rozsah 10 K mohou tyto vícevrstvé kondenzátory dosáhnout 40% Carnotovy účinnosti. Tyto vlastnosti jsou způsobeny (1) feroelektrickou fázovou změnou pro vysokou účinnost, (2) nízkým svodovým proudem, aby se zabránilo ztrátám, a (3) vysokým průrazným napětím. Tyto makroskopické, škálovatelné a účinné pyroelektrické kombajny přetvářejí výrobu termoelektrické energie.
Ve srovnání s prostorovým teplotním gradientem požadovaným pro termoelektrické materiály vyžaduje získávání energie termoelektrických materiálů cyklování teploty v čase. To znamená termodynamický cyklus, který nejlépe popisuje diagram entropie (S)-teplota (T). Obrázek la ukazuje typický ST graf nelineárního pyroelektrického (NLP) materiálu demonstrující polem řízený feroelektrický-paraelektrický fázový přechod ve skandium tantalátu olova (PST). Modré a zelené úseky cyklu na ST diagramu odpovídají přeměněné elektrické energii v Olsonově cyklu (dvě izotermické a dva izopólové úseky). Zde uvažujeme dva cykly se stejnou změnou elektrického pole (pole zapnuto a vypnuto) a změnou teploty ΔT, i když s různými počátečními teplotami. Zelený cyklus se nenachází v oblasti fázového přechodu a má tedy mnohem menší plochu než modrý cyklus umístěný v oblasti fázového přechodu. V ST diagramu platí, že čím větší plocha, tím větší shromážděná energie. Proto musí fázový přechod shromáždit více energie. Potřeba velkoplošného cyklování v NLP je velmi podobná potřebě elektrotermálních aplikací9, 10, 11, 12, kde PST vícevrstvé kondenzátory (MLC) a terpolymery na bázi PVDF nedávno prokázaly vynikající reverzní výkon. stav výkonu chlazení v cyklu 13,14,15,16. Proto jsme identifikovali PST MLC zajímavé pro získávání tepelné energie. Tyto vzorky byly plně popsány v metodách a charakterizovány v doplňkových poznámkách 1 (skenovací elektronová mikroskopie), 2 (rentgenová difrakce) a 3 (kalorimetrie).
a, Náčrt diagramu entropie (S)-teplota (T) se zapnutým a vypnutým elektrickým polem aplikovaným na NLP materiály ukazující fázové přechody. Jsou zobrazeny dva cykly sběru energie ve dvou různých teplotních zónách. Modré a zelené cykly se vyskytují uvnitř a vně fázového přechodu a končí ve velmi odlišných oblastech povrchu. b, dva unipolární kruhy DE PST MLC, 1 mm tlusté, měřeno mezi 0 a 155 kV cm-1 při 20 °C, respektive 90 °C, a odpovídající Olsenovy cykly. Písmena ABCD označují různé stavy v Olsonově cyklu. AB: MLC byly nabity na 155 kV cm-1 při 20 °C. BC: MLC byla udržována na 155 kV cm-1 a teplota byla zvýšena na 90 °C. CD: MLC se vybíjí při 90 °C. DA: MLC chlazená na 20 °C v nulovém poli. Modrá oblast odpovídá vstupnímu výkonu potřebnému ke spuštění cyklu. Oranžová oblast je energie shromážděná v jednom cyklu. c, horní panel, napětí (černá) a proud (červená) v závislosti na čase, sledované během stejného Olsonova cyklu jako b. Dvě vložky představují zesílení napětí a proudu v klíčových bodech cyklu. Na spodním panelu představují žluté a zelené křivky odpovídající teplotní a energetické křivky pro MLC o tloušťce 1 mm. Energie se vypočítává z křivek proudu a napětí na horním panelu. Negativní energie odpovídá shromážděné energii. Kroky odpovídající velkým písmenům ve čtyřech číslicích jsou stejné jako v Olsonově cyklu. Cyklus AB'CD odpovídá Stirlingovu cyklu (doplňková poznámka 7).
kde E a D jsou elektrické pole a pole elektrického posunutí. Nd lze získat nepřímo z obvodu DE (obr. 1b) nebo přímo spuštěním termodynamického cyklu. Nejužitečnější metody popsal Olsen ve své průkopnické práci o sběru pyroelektrické energie v 80. letech 20. století17.
Na Obr. lb ukazuje dvě monopolární DE smyčky vzorků PST-MLC o tloušťce 1 mm sestavené při 20 °C, respektive 90 °C, v rozsahu 0 až 155 kV cm-1 (600 V). Tyto dva cykly lze použít k nepřímému výpočtu energie shromážděné Olsonovým cyklem znázorněným na obrázku 1a. Ve skutečnosti se Olsenův cyklus skládá ze dvou větví izopole (zde nulové pole ve větvi DA a 155 kV cm-1 ve větvi BC) a dvou izotermických větví (zde 20°С a 20°С ve větvi AB) . C ve větvi CD) Energie shromážděná během cyklu odpovídá oranžové a modré oblasti (integrál EdD). Sebraná energie Nd je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, tj. pouze oranžová oblast na obr. 1b. Tento konkrétní Olsonův cyklus dává hustotu energie Nd 1,78 J cm-3. Stirlingův cyklus je alternativou k Olsonovu cyklu (doplňková poznámka 7). Protože fáze konstantního nabití (otevřený obvod) je snadněji dosažena, hustota energie extrahovaná z obr. 1b (cyklus AB'CD) dosahuje 1,25 J cm-3. To je pouze 70 % toho, co Olsonův cyklus dokáže shromáždit, ale jednoduché sklízecí zařízení to dokáže.
Kromě toho jsme přímo měřili energii shromážděnou během Olsonova cyklu přivedením energie do PST MLC pomocí stupně řízení teploty Linkam a měřiče zdroje (metoda). Obrázek 1c nahoře a v příslušných vložkách ukazuje proud (červená) a napětí (černá) shromážděné na stejném 1 mm tlustém PST MLC jako u DE smyčky procházející stejným Olsonovým cyklem. Proud a napětí umožňují vypočítat nasbíranou energii a křivky jsou znázorněny na Obr. 1c, spodní část (zelená) a teplota (žlutá) během celého cyklu. Písmena ABCD představují stejný Olsonův cyklus na obr. 1. Nabíjení MLC probíhá během úseku AB a probíhá při nízkém proudu (200 µA), takže SourceMeter může správně řídit nabíjení. Důsledkem tohoto konstantního počátečního proudu je, že křivka napětí (černá křivka) není lineární v důsledku nelineárního pole posunutí potenciálu D PST (obr. 1c, horní vložka). Na konci nabíjení je v MLC (bod B) uloženo 30 mJ elektrické energie. MLC se poté zahřeje a vytvoří se záporný proud (a tedy záporný proud), přičemž napětí zůstává na 600 V. Po 40 s, kdy teplota dosáhla plató 90 °C, byl tento proud kompenzován, ačkoliv krokový vzorek produkoval v obvodu během tohoto izopole elektrický výkon 35 mJ (druhá vložka na obr. 1c nahoře). Napětí na MLC (větve CD) se pak sníží, což má za následek dalších 60 mJ elektrické práce. Celková výstupní energie je 95 mJ. Odebraná energie je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, což dává 95 – 30 = 65 mJ. To odpovídá hustotě energie 1,84 J cm-3, která je velmi blízká Nd extrahovanému z DE prstence. Reprodukovatelnost tohoto Olsonova cyklu byla rozsáhle testována (doplňková poznámka 4). Dalším zvyšováním napětí a teploty jsme dosáhli 4,43 J cm-3 pomocí Olsenových cyklů v 0,5 mm tlustém PST MLC v teplotním rozsahu 750 V (195 kV cm-1) a 175 °C (doplňková poznámka 5). To je čtyřikrát větší než nejlepší výkon uváděný v literatuře pro přímé Olsonovy cykly a byl získán na tenkých vrstvách Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm . Tabulka 1 pro více hodnot v literatuře). Tohoto výkonu bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10−7 A při 750 V a 180 °C, viz podrobnosti v doplňkové poznámce 6) – což je zásadní bod zmíněný Smithem et al.19 – naopak k materiálům použitým v dřívějších studiích17,20. Tohoto výkonu bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10−7 A při 750 V a 180 °C, viz podrobnosti v doplňkové poznámce 6) – což je zásadní bod zmíněný Smithem et al.19 – naopak k materiálům použitým v dřívějších studiích17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих – 08 MLC 08 05 MLC (<10 см. 19 — v отличие от к материалам, использованным v более ранних исследованиях17,20. Těchto charakteristik bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10–7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz doplňková poznámka 6) – kritický bod zmíněný Smithem a kol. 19 – na rozdíl od materiálů používaných v dřívějších studiích17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参私补充说明业䯼䯼仼仸仸仸仸等人19 提到的关键点——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17,20。由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补嘎 手 䯼 䯼 䯼 䯼）））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下下下下下下下 相比之下 相比之下下下下下下下 相比之下 相比之下下下下下之下下下 相比之下 相比之下下下下下下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比乲比相比乲滋，卷胷胷舧觷到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В a 180 °C, sm. примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Protože svodový proud těchto MLC je velmi nízký (<10–7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz doplňková poznámka 6) – klíčový bod zmíněný Smithem a kol. 19 – pro srovnání těchto výkonů bylo dosaženo.na materiály použité v dřívějších studiích 17,20.
Stejné podmínky (600 V, 20–90 °C) platí pro Stirlingův cyklus (doplňková poznámka 7). Podle očekávání z výsledků DE cyklu byl výtěžek 41,0 mJ. Jedním z nejvýraznějších rysů Stirlingových cyklů je jejich schopnost zesílit počáteční napětí pomocí termoelektrického jevu. Pozorovali jsme napěťové zesílení až 39 (od počátečního napětí 15 V do koncového napětí až 590 V, viz doplňkový obr. 7.2).
Dalším charakteristickým rysem těchto MLC je, že se jedná o makroskopické objekty dostatečně velké na to, aby sbíraly energii v rozsahu joulů. Proto jsme zkonstruovali prototyp harvestoru (HARV1) s použitím 28 MLC PST o tloušťce 1 mm, podle stejného designu paralelní desky popsaného Torello et al.14, v matrici 7×4, jak je znázorněno na Obr. potrubí je přemísťováno peristaltickým čerpadlem mezi dvěma zásobníky, kde je teplota kapaliny udržována konstantní (metoda). Shromážděte až 3,1 J pomocí Olsonova cyklu popsaného na Obr. 2a, izotermické oblasti při 10 °C a 125 °C a oblasti izopole při 0 a 750 V (195 kV cm-1). To odpovídá hustotě energie 3,14 J cm-3. Pomocí tohoto kombajnu byla prováděna měření za různých podmínek (obr. 2b). Všimněte si, že 1,8 J bylo získáno v teplotním rozsahu 80 °C a napětí 600 V (155 kV cm-1). To je v dobré shodě s dříve zmíněnými 65 mJ pro 1 mm silný PST MLC za stejných podmínek (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Experimentální nastavení sestaveného prototypu HARV1 založeného na 28 MLC PST o tloušťce 1 mm (4 řádky × 7 sloupců) běžící na Olsonových cyklech. Pro každý ze čtyř kroků cyklu jsou v prototypu uvedeny teploty a napětí. Počítač pohání peristaltické čerpadlo, které cirkuluje dielektrickou kapalinu mezi studenou a horkou nádrží, dvěma ventily a zdrojem energie. Počítač také pomocí termočlánků sbírá data o napětí a proudu dodávaném do prototypu a teplotě sklízecí mlátičky ze zdroje. b, Energie (barva) shromážděná naším prototypem 4×7 MLC versus teplotní rozsah (osa X) a napětí (osa Y) v různých experimentech.
Větší verze harvestoru (HARV2) s 60 PST MLC o tloušťce 1 mm a 160 PST MLC o tloušťce 0,5 mm (41,7 g aktivního pyroelektrického materiálu) poskytla 11,2 J (doplňková poznámka 8). V roce 1984 Olsen vyrobil energetický kombajn založený na 317 g cínem dopované sloučeniny Pb(Zr,Ti)O3 schopné generovat 6,23 J elektřiny při teplotě asi 150 °C (ref. 21). Pro tento kombajn je to jediná další dostupná hodnota v rozsahu joulů. Dostal jen něco málo přes polovinu hodnoty, kterou jsme dosáhli, a téměř sedmkrát vyšší kvalitu. To znamená, že hustota energie HARV2 je 13krát vyšší.
Doba cyklu HARV1 je 57 sekund. To produkovalo 54 mW výkonu se 4 řadami po 7 sloupcích 1 mm tlustých MLC sad. Abychom to posunuli ještě o krok dále, postavili jsme třetí kombajn (HARV3) s 0,5 mm tlustým PST MLC a podobným nastavením jako HARV1 a HARV2 (doplňková poznámka 9). Naměřili jsme dobu termalizace 12,5 sekundy. To odpovídá době cyklu 25 s (doplňkový obr. 9). Sebraná energie (47 mJ) dává elektrický výkon 1,95 mW na MLC, což nám zase umožňuje představit si, že HARV2 produkuje 0,55 W (přibližně 1,95 mW × 280 PST MLC o tloušťce 0,5 mm). Kromě toho jsme simulovali přenos tepla pomocí simulace konečných prvků (COMSOL, doplňková poznámka 10 a doplňkové tabulky 2–4) odpovídající experimentům HARV1. Modelování konečných prvků umožnilo předpovídat hodnoty výkonu téměř o řád vyšší (430 mW) pro stejný počet PST sloupců ztenčením MLC na 0,2 mm, použitím vody jako chladicí kapaliny a obnovením matice na 7 řad. . × 4 kolony (kromě 960 mW, když byla nádrž vedle kombajnu, doplňkový obr. 10b).
Pro demonstraci užitečnosti tohoto kolektoru byl Stirlingův cyklus aplikován na samostatný demonstrátor sestávající pouze ze dvou 0,5 mm silných PST MLC jako tepelných kolektorů, vysokonapěťového spínače, nízkonapěťového spínače s akumulačním kondenzátorem, DC/DC měniče. , mikrokontrolér s nízkým výkonem, dva termočlánky a boost konvertor (doplňková poznámka 11). Obvod vyžaduje, aby byl akumulační kondenzátor nejprve nabit na 9 V a poté běží autonomně, zatímco teplota dvou MLC se pohybuje od -5 °C do 85 °C, zde v cyklech 160 s (několik cyklů je zobrazeno v doplňkové poznámce 11) . Je pozoruhodné, že dva MLC vážící pouze 0,3 g mohou tento velký systém autonomně řídit. Další zajímavou vlastností je, že nízkonapěťový měnič je schopen převádět 400V na 10-15V s účinností 79 % (doplňková poznámka 11 a doplňkový obrázek 11.3).
Nakonec jsme vyhodnotili účinnost těchto MLC modulů při přeměně tepelné energie na elektrickou energii. Faktor jakosti η účinnosti je definován jako poměr hustoty odebrané elektrické energie Nd k hustotě dodaného tepla Qin (doplňková poznámka 12):
Obrázky 3a,b ukazují účinnost η a proporcionální účinnost ηr Olsenova cyklu, v daném pořadí, jako funkci teplotního rozsahu 0,5 mm tlustého PST MLC. Oba soubory dat jsou uvedeny pro elektrické pole 195 kV cm-1. Účinnost \(\this\) dosahuje 1,43 %, což odpovídá 18 % ηr. Pro teplotní rozsah 10 K od 25 °C do 35 °C však ηr dosahuje hodnot až 40 % (modrá křivka na obr. 3b). To je dvojnásobek známé hodnoty pro NLP materiály zaznamenané ve filmech PMN-PT (ηr = 19 %) v teplotním rozsahu 10 K a 300 kV cm-1 (odkaz 18). Teplotní rozsahy pod 10 K nebyly uvažovány, protože tepelná hystereze PST MLC je mezi 5 a 8 K. Rozpoznání pozitivního vlivu fázových přechodů na účinnost je kritické. Ve skutečnosti jsou optimální hodnoty η a ηr téměř všechny získány při počáteční teplotě Ti = 25 °C na Obr. 3a,b. To je způsobeno úzkým fázovým přechodem, kdy není aplikováno žádné pole a Curieova teplota TC je v těchto MLC kolem 20 °C (doplňková poznámka 13).
a,b, účinnost η a proporcionální účinnost Olsonova cyklu (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot} } pro maximální elektrické pole 195 kV cm-1 a různé počáteční teploty Ti, }}\,\)(b) pro MPC PST tloušťky 0,5 mm, v závislosti na teplotním intervalu ΔTspan.
Posledně uvedené pozorování má dva důležité důsledky: (1) jakékoli účinné cyklování musí začít při teplotách nad TC, aby došlo k polem indukovanému fázovému přechodu (z paraelektrické na feroelektrickou); (2) tyto materiály jsou účinnější v době běhu blízké TC. Přestože naše experimenty ukazují účinnosti ve velkém měřítku, omezený teplotní rozsah nám neumožňuje dosáhnout velkých absolutních účinností kvůli Carnotově limitu (\(\Delta T/T\)). Vynikající účinnost, kterou tyto PST MLC prokázaly, však ospravedlňuje Olsena, když uvádí, že „ideální regenerační termoelektrický motor třídy 20 pracující při teplotách mezi 50 °C a 250 °C může mít účinnost 30 %“17. K dosažení těchto hodnot a testování konceptu by bylo užitečné použít dopované PST s různými TC, jak studovali Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST se může lišit od 3 °C (Sb doping) do 33 °C (Ti doping)22. Proto předpokládáme, že pyroelektrické regenerátory nové generace založené na dopovaných PST MLC nebo jiných materiálech se silným fázovým přechodem prvního řádu mohou soutěžit s nejlepšími kombajny.
V této studii jsme zkoumali MLC vyrobené z PST. Tato zařízení se skládají ze série Pt a PST elektrod, přičemž několik kondenzátorů je zapojeno paralelně. PST byl vybrán, protože je to vynikající materiál EC a tedy potenciálně vynikající materiál NLP. Vykazuje ostrý feroelektrický-paraelektrický fázový přechod prvního řádu kolem 20 °C, což naznačuje, že jeho změny entropie jsou podobné těm, které jsou znázorněny na obr. 1. Podobné MLC byly plně popsány pro zařízení EC13,14. V této studii jsme použili 10,4 × 7,2 × 1 mm³ a 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³ MLC. MLC o tloušťce 1 mm a 0,5 mm byly vyrobeny z 19 a 9 vrstev PST o tloušťce 38,6 um. V obou případech byla vnitřní vrstva PST umístěna mezi 2,05 um tlusté platinové elektrody. Konstrukce těchto MLC předpokládá, že 55 % PST je aktivních, což odpovídá části mezi elektrodami (doplňková poznámka 1). Aktivní plocha elektrody byla 48,7 mm2 (doplňková tabulka 5). MLC PST byl připraven reakcí na pevné fázi a metodou lití. Podrobnosti procesu přípravy byly popsány v předchozím článku14. Jedním z rozdílů mezi PST MLC a předchozím článkem je pořadí B-míst, které výrazně ovlivňuje výkon EC v PST. Pořadí B-míst PST MLC je 0,75 (doplňková poznámka 2) získaných slinováním při 1400 °C následovaným stovkami hodin dlouhým žíháním při 1000 °C. Další informace o PST MLC najdete v doplňkových poznámkách 1-3 a doplňkové tabulce 5.
Hlavní koncept této studie je založen na Olsonově cyklu (obr. 1). Pro takový cyklus potřebujeme teplou a studenou nádrž a napájecí zdroj schopný monitorovat a řídit napětí a proud v různých modulech MLC. Tyto přímé cykly využívaly dvě různé konfigurace, a to (1) moduly Linkam pro ohřev a chlazení jednoho MLC připojeného ke zdroji energie Keithley 2410 a (2) tři prototypy (HARV1, HARV2 a HARV3) paralelně se stejnou energií zdroje. V druhém případě byla pro výměnu tepla mezi dvěma zásobníky (horký a studený) a MLC použita dielektrická kapalina (silikonový olej s viskozitou 5 cP při 25 °C, zakoupený od Sigma Aldrich). Tepelný zásobník se skládá ze skleněné nádoby naplněné dielektrickou kapalinou a umístěné na horní straně tepelné desky. Skladování v chladu se skládá z vodní lázně s kapalinovými trubicemi obsahujícími dielektrickou kapalinu ve velké plastové nádobě naplněné vodou a ledem. Dva třícestné škrticí ventily (zakoupené od Bio-Chem Fluidics) byly umístěny na každém konci kombajnu, aby správně přepínaly kapalinu z jednoho zásobníku do druhého (obrázek 2a). Aby byla zajištěna tepelná rovnováha mezi pouzdrem PST-MLC a chladicí kapalinou, byla perioda cyklu prodloužena, dokud vstupní a výstupní termočlánky (co nejblíže pouzdru PST-MLC) nevykazovaly stejnou teplotu. Skript Python spravuje a synchronizuje všechny přístroje (měřiče zdroje, čerpadla, ventily a termočlánky), aby proběhly správný Olsonův cyklus, tj. smyčka chladicí kapaliny začne cyklovat zásobníkem PST po nabití měřiče zdroje, aby se zahřály na požadovanou hodnotu. aplikované napětí pro daný Olsonův cyklus.
Případně jsme tato přímá měření odebrané energie potvrdili nepřímými metodami. Tyto nepřímé metody jsou založeny na elektrickém posunu (D) – smyčkách elektrického pole (E) shromážděných při různých teplotách a výpočtem plochy mezi dvěma smyčkami DE lze přesně odhadnout, kolik energie lze shromáždit, jak je znázorněno na obrázku . na obrázku 2. .1b. Tyto DE smyčky jsou také shromažďovány pomocí měřičů zdroje Keithley.
Dvacet osm 1 mm tlustých PST MLC bylo sestaveno do 4řadé, 7sloupcové paralelní deskové struktury podle návrhu popsaného v odkazu. 14. Mezera tekutiny mezi řadami PST-MLC je 0,75 mm. Toho je dosaženo přidáním proužků oboustranné pásky jako tekutých distančních vložek kolem okrajů PST MLC. PST MLC je elektricky zapojeno paralelně se stříbrným epoxidovým můstkem v kontaktu s vývody elektrod. Poté byly dráty přilepeny stříbrnou epoxidovou pryskyřicí na každou stranu svorek elektrod pro připojení k napájení. Nakonec vložte celou konstrukci do polyolefinové hadice. Ten je přilepen k trubici kapaliny, aby bylo zajištěno správné utěsnění. Nakonec byly do každého konce struktury PST-MLC zabudovány termočlánky typu K o tloušťce 0,25 mm pro monitorování vstupní a výstupní teploty kapaliny. K tomu musí být hadice nejprve perforována. Po instalaci termočlánku naneste stejné lepidlo jako předtím mezi hadici termočlánku a drát, abyste obnovili těsnění.
Bylo vyrobeno osm samostatných prototypů, z nichž čtyři měly 40 0,5 mm tlustých MLC PST rozmístěných jako paralelní desky s 5 sloupci a 8 řadami a zbývající čtyři měly každý 15 1 mm silný MLC PST. ve 3sloupcové × 5řadé paralelní deskové struktuře. Celkový počet použitých PST MLC byl 220 (160 0,5 mm silný a 60 PST MLC 1 mm silný). Tyto dvě podjednotky nazýváme HARV2_160 a HARV2_60. Kapalinová mezera v prototypu HARV2_160 se skládá ze dvou oboustranných pásek o tloušťce 0,25 mm s drátem o tloušťce 0,25 mm mezi nimi. U prototypu HARV2_60 jsme zopakovali stejný postup, ale s použitím drátu o tloušťce 0,38 mm. Pro symetrii mají HARV2_160 a HARV2_60 své vlastní kapalinové okruhy, čerpadla, ventily a studenou stranu (doplňková poznámka 8). Dvě jednotky HARV2 sdílejí zásobník tepla, 3 litrovou nádobu (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvou plotýnkách s otočnými magnety. Všech osm jednotlivých prototypů je elektricky zapojeno paralelně. Podjednotky HARV2_160 a HARV2_60 pracují současně v Olsonově cyklu, což má za následek sklizeň energie 11,2 J.
Umístěte 0,5 mm silný PST MLC do polyolefinové hadice s oboustrannou páskou a drátem na obou stranách, abyste vytvořili prostor pro proudění kapaliny. Vzhledem ke své malé velikosti byl prototyp umístěn vedle horkého nebo studeného ventilu zásobníku, čímž se minimalizovaly doby cyklů.
V PST MLC je aplikováno konstantní elektrické pole přivedením konstantního napětí na topnou větev. V důsledku toho vzniká záporný tepelný proud a dochází k ukládání energie. Po zahřátí PST MLC je pole odstraněno (V = 0) a energie v něm uložená se vrací zpět do čítače zdroje, což odpovídá dalšímu příspěvku nasbírané energie. Nakonec se při použití napětí V = 0 MLC PST ochladí na svou počáteční teplotu, takže cyklus může začít znovu. V této fázi se energie neshromažďuje. Spustili jsme Olsenův cyklus pomocí Keithley 2410 SourceMeter, nabili jsme PST MLC ze zdroje napětí a nastavili aktuální shodu na příslušnou hodnotu, aby bylo během nabíjecí fáze nasbíráno dostatek bodů pro spolehlivé výpočty energie.
Ve Stirlingových cyklech byly PST MLC nabíjeny v režimu zdroje napětí na počáteční hodnotu elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaný proud poddajnosti, takže nabíjecí krok trvá přibližně 1 s (a nashromáždí se dostatek bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízkou teplotou. Ve Stirlingových cyklech byly PST MLC nabíjeny v režimu zdroje napětí na počáteční hodnotu elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaný proud poddajnosti, takže nabíjecí krok trvá přibližně 1 s (a nashromáždí se dostatek bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízkou teplotou. Виклах стирлинга pst MLC заряжались яжение VI> 0), желаемом податливом токе, так чч этап заряи з т к к к к к к к к к к к с надежного расчета энергия) и холодная температура. V cyklech Stirling PST MLC byly nabíjeny v režimu zdroje napětí na počáteční hodnotu elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaný výnosový proud, takže fáze nabíjení trvá asi 1 s (a dostatečný počet bodů se shromažďují pro spolehlivý výpočet energie) a nízké teploty.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）嵁怵甼使得充电步骤大约需要1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 V hlavním cyklu se PST MLC nabíjí na počáteční hodnotu elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0) v režimu zdroje napětí, takže požadovaný proud shody trvá asi 1 sekundu pro krok nabíjení (a nasbírali jsme dostatek bodů, abychom spolehlivě vypočítat (energii) a nízkou teplotu. Викле стирлинга pst MLC заряжается в режиме источника напрженlání с н п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п ение VI> 0), требуемый ток податливости таков, чч этап заряи заное к к к к к к к к к к с с с с с тобы надежно расчитать энергию) . Ve Stirlingově cyklu se PST MLC nabíjí v režimu zdroje napětí počáteční hodnotou elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaný proud poddajnosti je takový, že nabíjecí fáze trvá asi 1 s (a dostatečný počet bodů se shromažďují pro spolehlivý výpočet energie) a nízké teploty .Než se PST MLC zahřeje, otevřete obvod přivedením přizpůsobovacího proudu I = 0 mA (minimální přizpůsobovací proud, který náš měřicí zdroj zvládne, je 10 nA). V důsledku toho zůstává náboj v PST MJK a napětí se zvyšuje, jak se vzorek zahřívá. V rameni BC se neshromažďuje žádná energie, protože I = 0 mA. Po dosažení vysoké teploty se napětí v MLT FT zvýší (v některých případech i více než 30krát, viz dodatečný obr. 7.2), MLK FT se vybije (V = 0) a elektrická energie se v nich uloží po stejnou dobu. jako počáteční poplatek. Stejná aktuální korespondence je vrácena do zdroje měřiče. V důsledku napěťového zesílení je akumulovaná energie při vysoké teplotě vyšší, než jaká byla poskytnuta na začátku cyklu. V důsledku toho se energie získává přeměnou tepla na elektřinu.
Ke sledování napětí a proudu přiváděného do PST MLC jsme použili Keithley 2410 SourceMeter. Odpovídající energie se vypočítá integrací součinu napětí a proudu odečteného Keithleyho zdrojovým měřičem, \ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\ left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kde τ je období období. Na naší energetické křivce kladné energetické hodnoty znamenají energii, kterou musíme dát MLC PST, a záporné hodnoty znamenají energii, kterou z nich získáváme, a tedy energii přijatou. Relativní výkon pro daný sběrný cyklus je určen dělením odebrané energie periodou τ celého cyklu.
Všechny údaje jsou uvedeny v hlavním textu nebo v doplňkových informacích. Dopisy a žádosti o materiály by měly být směrovány na zdroj dat AT nebo ED poskytnutých v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC Přehled vývoje a použití termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC zvažují vývoj a aplikaci termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie.resumé. podpora. Energie Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: současná účinnost a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: současná účinnost a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solární materiály: současná účinnost a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy.Science 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunkovaný pyro-piezoelektrický efekt pro samonapájené simultánní snímání teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Konjunktní pyro-piezoelektrický efekt pro samonapájené simultánní snímání teploty a tlaku.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný pyropiezoelektrický efekt pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Pro vlastní napájení současně s teplotou a tlakem.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný termopiezoelektrický jev pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku.Vpřed. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sběr energie založený na Ericssonových pyroelektrických cyklech v relaxorové feroelektrické keramice. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sběr energie založený na Ericssonových pyroelektrických cyklech v relaxorové feroelektrické keramice.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Sběr energie na bázi pyroelektrických Ericssonových cyklů v relaxorové feroelektrické keramice.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Sběr energie v relaxorové feroelektrické keramice založené na pyroelektrickém cyklování Ericsson. Chytrá alma mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interkonverzi elektrotermální energie v pevné fázi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interkonverzi elektrotermální energie v pevné fázi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW я взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interkonverzi elektrotermální energie v pevném stavu. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW я взаимного преобразования твердотельной эlektroteрмической энергии. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interkonverzi elektrotermální energie v pevném stavu.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard a hodnota pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standard a hodnota pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Standardní a kvalitativní skóre pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Kritéria a výkonnostní opatření pro kvantifikaci výkonu pyroelektrického nanogenerátoru.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v tantalátu olovnatého skandium se skutečnou regenerací prostřednictvím variace pole. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v tantalátu olovnatého skandium se skutečnou regenerací prostřednictvím variace pole.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v olovnatém-skandium tantalátu se skutečnou regenerací pomocí modifikace pole. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrotermický chladicí cyklus skandium-olova tantalátu pro skutečnou regeneraci prostřednictvím reverzace pole.fyzika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových přechodů.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroidních fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND Tepelné materiály v blízkosti metalurgie železa.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Tepelné materiály v blízkosti fázových přechodů železa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, ND Kalorické materiály pro chlazení a ohřev. Moya, X. & Mathur, ND Kalorické materiály pro chlazení a ohřev.Moya, X. a Mathur, ND Tepelné materiály pro chlazení a ohřev. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, ND Tepelné materiály pro chlazení a ohřev.Moya X. a Mathur ND Tepelné materiály pro chlazení a ohřev.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled.Torello, A. a Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. a Defay, E. Elektrotermické chladiče: přehled.Moderní. elektronický. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. a kol. Enormní energetická účinnost elektrokalorického materiálu ve vysoce uspořádaném skandium-skandium-olovo. Národní komunikace. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektrotermický účinek oxidových vícevrstvých kondenzátorů je velký v širokém teplotním rozsahu. Příroda 575, 468–472 (2019).
Torello, A. a kol. Obrovský teplotní rozsah v elektrotermálních regenerátorech. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. a kol. Vysoce výkonný polovodičový elektrotermický chladicí systém. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. a kol. Kaskádové elektrotermické chladicí zařízení pro velký nárůst teploty. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na pyroelektrická měření související s elektrickou energií. Olsen, RB & Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na pyroelektrická měření související s elektrickou energií.Olsen, RB a Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na elektrickou energii spojená s pyroelektrickými měřeními. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB a Brown, DD Efektivní přímá přeměna tepla na elektřinu spojená s pyroelektrickými měřeními.Ferroelectrics 40, 17-27 (1982).
Pandya, S. a kol. Hustota energie a výkonu v tenkých relaxorových feroelektrických filmech. Národní alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrického fázového přechodu a elektrických ztrát. Smith, AN & Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrického fázového přechodu a elektrických ztrát.Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: feroelektrický fázový přechod a optimalizace elektrických ztrát. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN & Hanrahan, BMSmith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrických fázových přechodů a elektrických ztrát.J. Aplikace. fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Použití feroelektrických materiálů k přeměně tepelné energie na elektřinu. proces. IEEE 51, 838-845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický měnič energie. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický měnič energie.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádové pyroelektrické měniče energie.Ferroelectrics 59, 205-219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. O pevných roztocích olovo-skandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkem. Shebanov, L. & Borman, K. O pevných roztocích olovo-skandium tantalátu s vysokým elektrokalorickým účinkem.Shebanov L. a Borman K. O pevných roztocích tantalátu olovnatého skandium s vysokým elektrokalorickým účinkem. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. a Borman K. O pevných roztocích skandium-olovo-skandium s vysokým elektrokalorickým účinkem.Ferroelectrics 127, 143-148 (1992).
Děkujeme N. Furusawovi, Y. Inoue a K. Hondě za jejich pomoc při vytváření MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB a ED Děkujeme Lucemburské národní výzkumné nadaci (FNR) za podporu této práce prostřednictvím CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay a BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Katedra materiálového výzkumu a technologie, Lucemburský technologický institut (LIST), Belvoir, Lucembursko